¿QUÉ HACE A FRANCIS HALZEN MERECEDOR DEL PREMIO, SEGÚN LA ACADEMIA
SUECA?
La importancia de su trabajo consiste en haber impulsado una forma innovadora
de estudiar el universo mediante los neutrinos, partículas subatómicas
extraordinariamente difíciles de detectar.
1. El telescopio de hielo.
En 1988, Halzen propuso aprovechar el hielo transparente del Polo Sur como un
detector gigantesco. Para ello concibió la revolucionaria idea de utilizar un
kilómetro cúbico de hielo glacial en el Polo Sur como un gigantesco detector
de partículas. Este proyecto culminó en el diseño y construcción del
Observatorio de Neutrinos IceCube, completado en 2011, que cuenta con más de 5,000 sensores
ópticos enterrados a profundidades de entre 1.5 y 2.5 kilómetros bajo el hielo
antártico. Cuando un neutrino interactúa con la materia, puede producir
partículas secundarias que emiten destellos de luz. Los sensores registran
esos destellos y permiten reconstruir la trayectoria y la energía de las
partículas, lo que ayuda a identificar su procedencia.
2. Los neutrinos: mensajeros cósmicos.
Los neutrinos son partículas subatómicas elementales carecen de carga
eléctrica, tienen una masa extremadamente pequeña, por ello son llamadas las
partículas fantasmas, y atraviesan grandes cantidades de materia sin
interactuar con ella. Millones pasan por nuestro cuerpo sin que nos demos
cuenta. Sin embargo, algunos se originan en fenómenos cósmicos de enorme
energía, como los relacionados con agujeros negros y otros objetos
astronómicos extremos. Cuando un neutrino choca de forma muy inusual con los
átomos del hielo profundo, produce un destello de luz azul (radiación
Cherenkov) que es captado por los sensores de IceCube.
3. Una nueva ventana al universo.
A diferencia de la luz, los neutrinos pueden viajar desde regiones cósmicas
extremas sin desviarse por campos magnéticos ni perder tanta información sobre
su origen. Su estudio permite investigar procesos que los telescopios
convencionales no pueden revelar por sí solos. El trabajo de Halzen permitió
registrar, por primera vez, neutrinos procedentes del espacio profundo y de
fenómenos cósmicos extremos (como los alrededores de agujeros negros
supermasivos). Esto sentó las bases de la astronomía de neutrinos, permitiendo
estudiar el universo lejano mediante métodos invisibles para los telescopios
ópticos tradicionales.
¿CUÁL ES LA TRASCENDENCIA DE ESTE DESCUBRIMIENTO?
El logro de Halzen no consiste simplemente en detectar una partícula diminuta.
Consiste en haber contribuido a desarrollar un instrumento capaz de estudiar
algunos de los acontecimientos más energéticos y misteriosos del cosmos.
En términos sencillos, si la luz nos permite observar el universo, los
neutrinos nos ayudan a investigar lo que sucede en sus regiones más violentas
y distantes. IceCube ofrece a los científicos una herramienta complementaria
para comprender mejor esos fenómenos y el origen de los rayos cósmicos.
El premio reconoce las contribuciones decisivas de Halzen a esta empresa
científica, que ha sido posible gracias al trabajo de una amplia colaboración
internacional.
Puede consultar el anuncio oficial en la página de la
Real Academia
Sueca de Ciencias.
¿QUÉ SON EXACTAMENTE LOS NEUTRINOS Y POR QUÉ SON TAN DIFÍCILES DE
ATRAPAR?
Los neutrinos son unas de las partículas más abundantes y, al mismo tiempo,
más difíciles de detectar del universo. Se les suele llamar partículas
fantasma porque viajan casi a la velocidad de la luz y pueden atravesar la
materia sólida sin chocar con ella ni dejar rastro.
En este momento, billones de neutrinos provenientes del Sol están cruzando tu
cuerpo, la Tierra entera y los edificios cada segundo, pero ni tú ni el
planeta sienten absolutamente nada.
Para comprender su importancia, conviene responder cuatro preguntas: qué son,
qué nos permiten descubrir, qué efecto tienen sobre nuestro cuerpo y quién los
descubrió.
¿Qué son exactamente?
1. Materia elemental:
Son partículas que no se pueden dividir en nada más pequeño.
2. Origen extremo:
Se producen en reacciones nucleares masivas, como el interior del Sol, las
explosiones de estrellas (supernovas), los reactores nucleares de la Tierra y
en los entornos extremos de los agujeros negros.
3. Casi no tienen masa:
Durante décadas se pensó que no tenían masa en absoluto. Hoy sabemos que sí
tienen, pero es tan increíblemente pequeña que un solo electrón es millones de
veces más pesado que un neutrino.
4. No tienen carga eléctrica:
A diferencia de los electrones (carga negativa) o los
protones (carga positiva), los neutrinos son completamente neutros (de
ahí su nombre).
¿Por qué son tan difíciles de "atrapar"?
Capturar un neutrino es casi imposible debido a la combinación de dos factores
principales:
1. No tienen carga eléctrica:
Al ser neutros, la fuerza electromagnética no les afecta. No se sienten
atraídos ni repelidos por los átomos de la materia que cruzan.
2. Ignoran la fuerza nuclear
fuerte:
Esta es la fuerza que mantiene unidos los núcleos de los átomos. Como los
neutrinos no la experimentan, pueden pasar directamente a través del núcleo de
un átomo como si fuera espacio vacío.
Al no responder a la electricidad, al magnetismo ni a la fuerza nuclear
fuerte, la única forma en que un neutrino interactúa con otra partícula es
a través de la fuerza nuclear débil (que tiene un alcance increíblemente
corto) y la gravedad (que en ellos es casi inexistente por su falta de
masa).
Para que un neutrino choque directamente con el núcleo de un átomo, se
necesita una coincidencia geométrica perfecta. Es por esto que un neutrino
podría atravesar una pared de plomo de un año luz de grosor sin tocar
absolutamente nada.
¿Cómo los atrapamos entonces?
Para registrar un choque, los científicos aplican la ley de las
probabilidades: si pones suficiente materia junta, eventualmente un neutrino
chocará con algo.
Por eso, experimentos como IceCube usan un kilómetro cúbico de
hielo de la Antártida, y otros usan gigantescos tanques de agua pura bajo
tierra. Cuando esa colisión hiperrara finalmente ocurre, el impacto genera una
diminuta chispa de luz azul que delata la presencia del "fantasma".
TIPOS DE NEUTRINOS
Existen tres tipos, llamados sabores: neutrino electrónico, neutrino
muónico y neutrino tauónico.
El Sol produce enormes cantidades de neutrinos. También se generan en las
reacciones nucleares de las estrellas, en las explosiones de supernovas, en
los reactores nucleares y en otros procesos de alta energía.
Una comparación ayuda a entenderlos: imaginemos lanzar una pelota contra una
pared. La pelota choca y rebota. Un neutrino, en cambio, puede atravesar esa
pared y miles de kilómetros de roca sin interactuar con ninguna partícula. No
es que sea literalmente invisible a toda interacción: es que la probabilidad
de que choque es extraordinariamente pequeña.
¿Qué importancia tienen los neutrinos?
Su importancia es enorme porque nos ayudan a investigar fenómenos que serían
difíciles de estudiar mediante la luz y otras formas de radiación.
A. Nos permiten estudiar el interior del Sol
Los neutrinos se producen en las reacciones nucleares del núcleo solar y
escapan casi inmediatamente. Al detectarlos en la Tierra, los científicos
pueden comprobar cómo se genera la energía del Sol y estudiar sus procesos
internos.
B. Nos ayudan a comprender las supernovas
Cuando una estrella masiva colapsa y explota, libera una enorme cantidad de
energía en forma de neutrinos. Detectarlos permite estudiar las condiciones
extremas que se producen durante ese acontecimiento.
C. Abren una nueva ventana al universo
Observatorios como IceCube detectan neutrinos de alta energía procedentes de
regiones lejanas del cosmos. Su estudio ayuda a identificar fuentes de
partículas cósmicas y a investigar fenómenos extremos.
D. Ponen a prueba las leyes fundamentales de la física
Los neutrinos pueden cambiar de un tipo a otro mientras viajan. Este fenómeno,
llamado oscilación de neutrinos, demuestra que tienen masa y revela que
todavía hay aspectos fundamentales de la naturaleza que debemos comprender
mejor.
¿Cómo afectan los neutrinos a los seres humanos?
La respuesta breve es tranquilizadora: los neutrinos que nos atraviesan
habitualmente no representan un peligro conocido para la salud humana.
¿Cuántos atraviesan nuestro cuerpo?
Cada segundo, del orden de cientos de miles de millones de neutrinos solares
atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo. El número exacto
depende de la energía de los neutrinos y de cómo se mida el flujo. Además,
recibimos neutrinos de otras fuentes.
Eso significa que, en este preciso instante, una cantidad inmensa de estas
partículas está pasando a través de cada uno de nosotros.
¿Por qué no las sentimos?
• No producen una sensación física
perceptible.
No podemos verlas, oírlas ni sentir su paso.
• Casi nunca interactúan con
nuestras células.
Su probabilidad de colisionar con los átomos del cuerpo es extremadamente
pequeña.
• No depositan una cantidad
significativa de energía en nuestros tejidos.
Por eso, el flujo natural de neutrinos no constituye un riesgo radiológico
relevante.
Hay una distinción importante:
las partículas y radiaciones de alta energía pueden ser peligrosas cuando
depositan energía suficiente en los tejidos. Pero no debemos confundir ese peligro general con el comportamiento de los
neutrinos, que interactúan tan débilmente que casi todos atraviesan el cuerpo
sin dejar efecto alguno.
¿Tienen algún beneficio directo para nuestra salud?
No se ha demostrado que los neutrinos naturales tengan un beneficio
fisiológico directo para las personas. Su principal importancia para nosotros
es indirecta: nos ayudan a entender el universo, las reacciones nucleares y
las leyes que rigen la materia.
¿QUIÉN DESCUBRIÓ LOS NEUTRINOS?
Su historia es un magnífico ejemplo de cómo una partícula puede ser concebida
primero mediante la teoría y detectada décadas después gracias a los avances
experimentales.
1930 — Wolfgang Pauli
Propuso la existencia de una partícula desconocida para explicar una aparente
pérdida de energía en ciertos procesos de desintegración radiactiva. La
partícula permitiría conservar la energía y el momento. En aquel momento, su
existencia era una hipótesis, no un descubrimiento experimental.
Década de 1930 — Enrico Fermi
Incorporó la partícula a su teoría de la desintegración beta y popularizó el
nombre neutrino, procedente del italiano y aproximadamente equivalente a
“pequeño neutro”.
1956 — Frederick Reines y
Clyde Cowan
Detectaron neutrinos experimentalmente utilizando un reactor nuclear en
Carolina del Sur, Estados Unidos. Su experimento confirmó que la partícula
propuesta por Pauli existía realmente. Reines recibió el Premio Nobel de
Física en 1995 por este trabajo; Cowan había fallecido en 1974.
2015 — Takaaki Kajita y
Arthur B. McDonald
Recibieron conjuntamente el Nobel de Física por descubrir las oscilaciones de
los neutrinos, un hallazgo que demostró que estas partículas tienen masa. Sus
equipos resolvieron un importante misterio sobre los neutrinos procedentes del
Sol y de la atmósfera terrestre.
LOS TRES "SABORES" DE NEUTRINOS Y SU METAMORFOSIS
En la física de partículas, los tipos de neutrinos no se clasifican por color
o tamaño, sino por "sabores", los cuales están directamente vinculados a la
familia de partículas con carga eléctrica a la que acompañan. Los tres sabores
existentes son:
• Neutrino electrónico: Asociado al electrón. Son los más comunes y se
producen en abundancia en el interior del Sol y en los reactores nucleares.
• Neutrino muónico: Asociado al muon (una partícula similar al electrón pero
unas 200 veces más pesada). Se generan habitualmente cuando los rayos cósmicos
chocan contra la atmósfera terrestre.
• Neutrino tauónico: Asociado a la partícula tau (el hermano mayor y
extremadamente pesado del electrón). Son los más raros y difíciles de producir
o detectar.
¿Cómo cambian de forma? (Oscilación de neutrinos)
A este fenómeno se le conoce como oscilación de neutrinos. A diferencia de un
objeto común que mantiene su identidad, un neutrino es un "camaleón" cuántico:
mientras viaja por el espacio a casi la velocidad de la luz, se transforma
constantemente entre un sabor y otro.
Un neutrino que nace como electrónico en el núcleo del Sol puede viajar hacia
la Tierra y, al ser medido por un detector humano, haberse transformado en un
neutrino muónico o tauónico.
• ¿Por qué ocurre? Esto sucede
porque los tres "sabores" no tienen una masa fija individual. En el mundo
cuántico, un sabor es en realidad una mezcla superpuesta de tres estados de
masa diferentes. Al viajar, estos estados se desfasan entre sí, alterando la
probabilidad de qué sabor manifestará la partícula al chocar contra un
detector.
• Dato histórico: El
descubrimiento de que los neutrinos oscilan (lo que demostró que, al contrario
de lo que se pensaba, sí tienen masa) fue merecedor del Premio Nobel de Física
en 2015, otorgado en conjunto a Takaaki Kajita y
Arthur B. McDonald, como hemos señalado anteriormente.
EN RESUMEN
Los neutrinos son partículas diminutas que atraviesan nuestro cuerpo y nuestro
planeta casi sin interactuar con ellos. No representan un peligro conocido en
las condiciones naturales habituales, pero tienen una importancia científica
extraordinaria.
Nos permiten estudiar el interior del Sol, investigar explosiones estelares,
rastrear fuentes cósmicas y poner a prueba las teorías fundamentales de la
física.
Quizá lo más fascinante sea esta paradoja: una de las partículas más difíciles
de detectar puede proporcionarnos información sobre algunos de los
acontecimientos más importantes del universo.
ENLACES
Qué son los neutrinos, las
"partículas fantasma" del universo por las que el belga Francis Halzen ganó el
Nobel de Física, BBC News Mundo
Definición de neutrino, Baidu
Neutrino, Wikipedia
Sobre Francis
Halzen y el Premio Nobel, en el sitio de la Nobel Foundation
El enigma de los
neutrinos, setenta años después, explicación del CERN (en inglés)
GLOSARIO CONCISO DE TÉRMINOS RELACIONADOS CON LOS NEUTRINOS
Neutrino. Partícula elemental eléctricamente neutra, de masa extremadamente pequeña, que interactúa muy débilmente con la materia. Puede atravesar enormes cantidades de materia sin chocar con otras partículas.
Neutrino electrónico. Tipo de neutrino asociado al electrón. Se produce, por ejemplo, en reacciones nucleares del Sol.
Neutrino muónico. Tipo de neutrino asociado al muón. Puede originarse en interacciones de rayos cósmicos con la atmósfera.
Neutrino tauónico. Tipo de neutrino asociado a la partícula tau. Es difícil de detectar debido a su escasa interacción con la materia.
Sabor. En física de partículas, designación que distingue tipos de partículas de una misma familia. Existen tres sabores de neutrinos: electrónico, muónico y tauónico.
Leptón. Partícula elemental que no participa en la interacción nuclear fuerte. Hay seis leptones: el electrón, el muón, el tau y sus tres neutrinos correspondientes.
Electrón. Partícula elemental con carga eléctrica negativa. Forma parte de los átomos y determina buena parte de sus propiedades químicas.
Muón. Partícula elemental con carga negativa, similar al electrón, pero aproximadamente 207 veces más masiva. Es inestable y se desintegra en otras partículas.
Tau. Partícula elemental con carga negativa, semejante al electrón y al muón, pero mucho más pesada. Es extremadamente inestable.
Protón. Partícula con carga eléctrica positiva que se encuentra en el núcleo atómico. Está compuesto por tres quarks de valencia.
Neutrón. Partícula eléctricamente neutra que, junto con los protones, constituye la mayor parte de los núcleos atómicos. También está compuesto por quarks.
Quark. Partícula elemental que forma los protones y neutrones, entre otras partículas. Existen seis tipos o sabores de quarks.
Partícula elemental. Partícula que, según el conocimiento actual, no está formada por otras partículas más pequeñas.
Carga eléctrica. Propiedad física que determina cómo una partícula responde a los campos electromagnéticos. Puede ser positiva, negativa o nula.
Masa. Propiedad física relacionada con la inercia y la energía de una partícula. Aunque durante mucho tiempo se consideró que los neutrinos carecían de masa, hoy sabemos que tienen una masa diminuta, todavía no determinada con precisión absoluta.
Interacción débil. Una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Es responsable de ciertos procesos radiactivos y participa en las reacciones que producen neutrinos.
Oscilación de neutrinos. Fenómeno por el cual un neutrino puede cambiar de sabor mientras se propaga. Por ejemplo, un neutrino electrónico puede ser detectado más tarde como muónico o tauónico.
Antineutrino. Antipartícula del neutrino, con las propiedades cuánticas correspondientes a una antipartícula. Se produce, por ejemplo, en determinados procesos de desintegración radiactiva.
Desintegración beta. Proceso radiactivo en el que un núcleo atómico cambia su composición mediante la transformación de un neutrón o un protón. En estos procesos se emiten un electrón o un positrón y un antineutrino o un neutrino, respectivamente.
Supernova. Explosión de una estrella que libera enormes cantidades de energía. Durante una supernova se producen cantidades extraordinarias de neutrinos.
Rayos cósmicos. Partículas de alta energía procedentes del espacio que, al chocar con la atmósfera terrestre, pueden generar otras partículas y neutrinos.
Detector de neutrinos. Instrumento diseñado para registrar las escasas interacciones de los neutrinos con la materia. Algunos detectores utilizan grandes volúmenes de agua, hielo o líquidos especiales.
Astronomía de neutrinos. Rama de la astronomía que estudia el universo mediante neutrinos, capaces de aportar información sobre fenómenos como las supernovas y ciertos procesos alrededor de objetos cósmicos extremos.
Modelo Estándar. Teoría fundamental de la física de partículas que describe las partículas elementales conocidas y tres de las cuatro interacciones fundamentales. Su formulación original consideraba neutrinos sin masa, por lo que las oscilaciones de neutrinos revelaron la necesidad de ampliar esa descripción.
Una distinción importante: el electrón, el muón y el tau son leptones con carga eléctrica; sus neutrinos correspondientes son leptones sin carga. El protón y el neutrón, en cambio, no son partículas elementales: están constituidos por quarks.
La idea central para recordar es que los neutrinos son partículas extraordinariamente abundantes, eléctricamente neutras y muy difíciles de detectar porque interactúan muy poco con la materia.
Las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza
Las cuatro interacciones fundamentales son la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Las tres últimas se describen en el Modelo Estándar de la física de partículas; la gravedad todavía no cuenta con una descripción cuántica completa confirmada experimentalmente.
Interacción gravitatoria (gravedad). Interacción por la que los cuerpos con masa y energía se atraen. Mantiene los planetas en órbita alrededor del Sol y gobierna la estructura del universo a gran escala. Es la más débil de las cuatro a escala de partículas, pero tiene alcance infinito.
Interacción electromagnética. Interacción entre partículas con carga eléctrica. Explica la electricidad, el magnetismo, la luz y los enlaces entre átomos y moléculas. Su partícula mediadora es el fotón.
Interacción nuclear fuerte. Interacción que mantiene unidos los quarks dentro de protones y neutrones y, de manera indirecta, contribuye a mantener unidos los protones y neutrones en los núcleos atómicos. Su partícula mediadora es el gluón.
Interacción nuclear débil. Interacción responsable de ciertos procesos de transformación de partículas, como la desintegración beta radiactiva. Desempeña un papel esencial en las reacciones nucleares del Sol y en la producción de neutrinos. Sus partículas mediadoras son los bosones W⁺, W⁻ y Z⁰.
Cómo se relacionan con los neutrinos
Gravedad: los neutrinos tienen masa y, por tanto, responden a la gravedad.
Electromagnetismo: como los neutrinos no tienen carga eléctrica, no interactúan directamente mediante la fuerza electromagnética.
Interacción fuerte: los neutrinos no participan directamente en esta interacción.
Interacción débil: es la principal responsable de las interacciones de los neutrinos con la materia y de que resulte tan difícil detectarlos.
Compendio elaborado por Isaias Medina con información y datos extraídos (y verificados) de varias fuentes en la red, incluyendo el sitio de la Academia Sueca de Ciencias, la Fundación Nobel, Wikipedia, BBC Mundo, explorados con la asistencia de IA
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